辽宁省旱作农田防蚀增效研究进展与展望

郑家明冯良山冯 晨杨 宁蔡 倩向午燕张 哲赵凤艳白 伟

(辽宁省农业科学院耕作栽培研究所,辽宁 沈阳 110161)

土壤侵蚀是当今世界较为严重的生态环境问题之一,不仅制约着农业可持续发展,而且对自然环境造成了严重威胁[1]。土壤侵蚀导致水土流失严重,造成了土壤有机质和营养元素随水流失,土壤肥力退化。因此,防治土壤侵蚀对旱作农田健康可持续发展至关重要[2]。

辽宁省土壤侵蚀主要有4种类型,分别为水蚀、风蚀、重力侵蚀和人为侵蚀,其中以水蚀(主要发生在夏季、秋季)和风蚀(主要发生在冬季、春季)为主,分别占总侵蚀面积的 95.6%和4.2%,共占总侵蚀面积的99.8%[3]。辽宁省风蚀水蚀区主要集中于辽西北,即辽西低山丘陵区,为辽河平原向内蒙古平原过渡带,包括阜新、建平和北票一市两县,累计面积已达到16 671.95 km2,涉及人口数达157.6万[4]。年均农田风蚀量达1.05 t/667m2,坡耕地水蚀量达1.58 t/667m2,区域年均土壤流失5 300万t,土壤降水利用率也仅为65%左右。区域水资源严重不足,旱灾发生频繁,风蚀沙化和水土流失严重,耕地质量逐年下降,光、温、水等资源利用效率不高,经济效益低。农田风蚀沙化和水土流失严重是制约该区域农业可持续发展和生态文明建设的突出问题。针对该地区土壤的风蚀和水蚀问题,众多学者已经进行了大量的研究,并得出了以下结论。

1 土壤风蚀形成原因及其危害

土壤风蚀是指在风力作用下,土壤表层松散的细颗粒和营养物质被吹起、搬运与沉积的过程以及土壤表层物质受到风吹起时颗粒的磨蚀过程[5]。土壤风蚀是土壤侵蚀以及塑造地球地貌景观格局的基本过程之一,也是发生在干旱、半干旱及部分半湿润地区最终导致土地沙漠化的重要环节[6],其直接后果一是致使土壤表层中大量富含营养物质的细颗粒和有机质的丧失,造成农田表土粗化,土壤肥力和土地生产力下降,影响农业的可持续发展[7];二是在土壤发生风蚀的过程中使所产生的大量的气溶胶颗粒悬浮于大气中,造成粉尘污染并使所在地区沙尘暴频发,危害人类的身体健康。同时,对交通和水利等设施均构成危害。土壤风蚀过程受气候、土壤质地、植被、地形地貌等多个因子调控,这些因子的变化可导致风蚀过程及其方向发生变化[8]。由于风力作用下,土壤颗粒空间分布的重新调整及风力对土壤颗粒的分选作用,可能对该地区的土壤、与土壤相关的微地形及农业生产作业等均产生深刻的影响。

2 土壤水蚀形成原因及其危害

土壤水蚀是一个复杂的自然过程,受到气候、地貌等自然条件和耕作等人为活动的影响。一般认为土壤水蚀为4个基本过程:雨滴冲击、雨滴飞溅、地表径流及径流迁移引起的剥蚀[9]。土壤水蚀过程受到诸多因素的影响,包括气候因子、地形地貌、土壤母质、土壤理化性质(如有机质含量、土壤颗粒组成、前期土壤含水量等)、土壤植被等以及人为活动,例如垦殖、退耕还林、秸秆覆盖等[10～13]。研究表明,当土壤含水量低于凋萎湿度时,很难被植物利用,导致土壤干层形成[14],而辽西北地区的年降水量有限,且分布不均,主要集中于夏季的7～9月份,其降水量可占年降水总量的70%以上,该地区暴雨频发,70%～80%的雨水以径流形式流失掉,造成严重的土壤水蚀问题[15]。土壤水蚀会引起大量土壤流失,尤其是经人类耕作后培肥的土壤,降低农田生产力,从而威胁到国家的粮食安全和生态环境的可持续发展[16]。

3 辽宁省防蚀增效技术措施

迄今为止,针对土壤侵蚀的防治措施的研究主要集中在增加土壤凝聚力(如改良土壤结构、提高土壤含水率或增加土壤有机质含量)和保护地表(构建防护带、增加地表覆盖物)2方面。因此,辽宁省农业科学院相关专家以防风蚀、水蚀、增产增效为核心开展了大量防治性研究,并构建了地上、地表、地下立体协同综合防蚀系统(图1),采用作物间作(或轮作)种植方式,建立地上防风蚀屏障;通过构筑高垄台改变微地形,结合地膜、秸秆覆盖、高留茬等措施,建立地表风蚀水蚀防控结构;利用土壤耕作技术,结合秸秆还田、增施有机肥等培肥措施,增加土壤有机质含量并扩大土壤水库库容,建立地下防水蚀耕层。最终实现农田地上、地表、地下联合协同防控风蚀、水蚀。

3.1 间作

间作是合理利用农田生态系统光热资源、改善农业生态系统功能的重要栽培手段。辽西北地区不仅适应于花生种植,也是辽宁省玉米的主栽区。玉米与花生间作可以实现作物群体的高低交错,空间搭配更加合理,具有提高水分和光能利用效率,改善间作群体对营养元素的吸收与利用,减轻病虫害的发生等优势[17,18]。

针对农田风蚀问题,利用生物多样性原理,建立的经济林/花生、经济林/谷子、玉米/花生、谷子/花生等间作防风蚀种植模式(图2),通过利用各物种的生长特性不仅提高了作物种间光、养分利用率,同时也满足了种间对水分的需求,并取得显著的经济、社会和生态效益[19～21]。 朝阳地区林、果、粮间作模式下,间作的作物残体进入土壤后还能显著增加土壤有机质含量,提高土壤孔隙度和通透性,有较好的保持水土,防止水土流失作用[22]。研究表明,林果中间种植8行花生,风蚀降低46%,玉米(谷子)/花生间作结合残茬覆盖农田风蚀量减少43%。由于玉米根茬残留能对花生幅带形成保护,降低花生幅带地表风速,从而降低地表风蚀[23]。通过研究作物群体降水田间分配规律发现,雨前雨后玉米/花生2∶2垄间作和2∶4垄间作条带土壤水分增加量较单作玉米提高5.11%～53.90%和 2.24%～84.18%[20],表明间作可以增加土壤蓄水,减少地表径流,从而减少土壤水蚀。对间作作物种间地下部互作机制研究发现,间作可协调根系在土壤中的纵向分布,提高土壤水分养分有效系数,同时还可加大横向根系与土壤水分、养分“重心”的偏离度,在土壤中形成水分梯度,促进作物种间水分横向流动,从而改善作物根系性状,提高植物对土壤的抓力,减少土壤侵蚀[24]。

3.2 垄膜沟植或秋季覆膜

地表覆膜作为一项增产农艺措施,能够改善土壤物理性质,提高土壤团聚体的稳定性;同时,从物理上阻隔了风力和雨水对土壤的冲击,增强土壤抗风蚀和水蚀能力[25]。针对地膜覆盖减少风蚀、水蚀技术,利用Fluent软件建立了微地形构造水分运移模型,并利用Matlab软件拟合出降水入渗流速方程,实际验证表明传统整地条件下降水渗透到土层1 m处所需时间为1 870 s,水分渗透平均速度为0.053 cm/s,而垄膜沟种(微地形改造)时间为1 102 s,速度为0.091 cm/s,可有效控制地表径流生成(图3)。通过构筑高垄台改变微地形,结合地膜、秸秆覆盖等措施,建立了地表风蚀、水蚀防控结构(尚未发表数据)。

秋季覆膜可有效提高半干旱气候条件下雨养农业的水分利用率和作物产量[26]。研究表明,通过旱地秋后即覆膜来减少冬春季农田土壤水分的无效损失,能显著提高播前1 m土层土壤贮水量,保墒、增温效果可以一直持续至次年玉米的生长后期,实现了旱区降水资源的时空调节[27,28]。黄毅等在辽西北旱地土壤应用秋季覆膜措施后0～15 cm土层的含水量比顶凌覆膜和裸地高出3%,这说明在干旱的情况下应用秋季覆膜能够有效地保墒[39]。冯晨等对辽西北风沙半干旱地区进行秋覆膜研究表明,秋覆膜能显著的降低雨水对地表土壤的冲刷[29]。因此,在风沙半干旱区应用秋季覆膜不仅能够防止了冬季、春季的风蚀,也能够降低夏季的水蚀。

3.3 秸秆残茬覆盖

秸秆残差覆盖不仅能有效的提高土壤的水分和有机质含量,还能降低土壤的风蚀和水蚀。秸秆残茬覆盖主要通过2方面作用来降低风蚀:一是提高风速摩擦力降低地表风速;二是通过秸秆覆盖地表能提高土壤中大团粒结构。在昌图县的土壤风蚀试验表明,5～6级风速下,秸秆残差覆盖能减少50%以上的风蚀量[30]。李世成研究表明彰武等15个县区秸秆留茬覆盖和粉碎覆盖能显著降低土壤风蚀量,减少31.8%～87.1%的输沙量[31]。朝阳县秸秆残差覆盖在降雨量80 mm/h的情况下,地面径流减少了70%,而土壤含水量增加16%～19%,显著的降低土壤水蚀[32]。同时,秸秆残茬的处理方式也会影响到防风蚀和水蚀的效果。肖继兵等通过对春播前耕层土壤水分的研究发现,翻耕后覆膜＞翻耕后覆盖秸秆＞留茬覆盖秸秆＞翻耕无覆盖＞留茬无覆盖,其中翻耕覆膜处理土壤含水率为17.03%,比留茬无覆盖处理高4.51%,比翻耕无覆盖处理高2.57%,比留茬覆盖秸秆处理高1.27%,比翻耕覆盖秸秆处理高0.66%[33]。

3.4 高留茬

随着作物留茬高度的增加,对距地表的风速影响效果增加,即残茬高度增加风速降低,地表风速降低,地表粗糙度增加[34,35]。肖继兵等发现留茬覆盖秸秆比留茬无覆盖秸秆处理的土壤含水量高3.24%[33]。丛培飞等明确留茬高度、秸秆覆盖量及二者互作对土壤风蚀量均有显著影响[36]。当留茬高度＞18.0 cm、秸秆覆盖量高于167 kg/667m2时,风蚀量降低了54%以上(常规耕作的风蚀量为1.05 t/667m2),通过对留茬高度和秸秆覆盖量与风蚀量建立回归模型发现,留茬高度和秸秆覆盖量分别为33.9 cm和283.7 kg/667m2时,风蚀量最小,仅0.03 t/667m2。这表明,高留茬并覆盖秸秆不仅具有固土和减少土壤水分蒸发的作用,还能够降低地表风速,使地表免受直接吹蚀和磨蚀,有效降低水土流失程度并降低沙尘暴发生的概率[37,38]。

3.5 秸秆还田

秸秆还田能够增加土壤非侵蚀性团粒成分和有机质含量,还可提高土壤水分和养分的保蓄能力及利用效率,改善土壤质量,提高土壤对风蚀、水蚀的抵抗能力,在一定程度上即解决了秸秆的利用问题,还可培肥地力,是保护性农业的核心措施之一,也是促进生态农业可持续发展的重要措施[39～41]。研究表明,秸秆还田比传统耕作输沙量减少了28.24%～76.31%[36],这是由于秸秆还田能够增加土壤湿润度,并且秸秆还田还可增加土壤表面粗糙度,提高了土壤临界风蚀风速值,进而降低了风蚀作用,但当风速超过阈值后秸秆还田防治风蚀的作用将会有所降低[41～43]。而秋覆膜全膜双垄沟播秸秆还田处理秸秆腐烂效果更好,显著改善了土壤养分,增加了0～60 cm土体含水量,促进了玉米生长,提高了产量[44,45]。张哲等应用秸秆还田结合秋季覆膜对半干旱区春玉米的影响的研究表明,秸秆还田结合秋季覆膜效果更优,即解决了半干旱区秸秆过剩问题,又可提高该地区农田水分利用效率和春玉米第二年的产量[46]。

3.6 增施有机肥

在农业生产过程中,增施有机肥既可以增加土壤有机质含量,又可以改善土壤结构稳定性[47],而良好的土壤结构稳定性能够防风蚀、水蚀[48]。研究表明,风蚀后土壤碳主要有4个去向:(1)就近沉积;(2)以粉尘形式运移,在远离风蚀区的地域沉积;(3)沉积于水渠和河流,输入水体;(4)氧化释放至大气。风蚀引起的土壤碳迁移、沉积及氧化耗损不仅导致了土壤有机碳的重新分布,也显著改变了土壤系统中碳矿化的生物学过程。增加土壤有机碳可以促进团聚体的形成,使土壤结构稳定性增加[7]。因此,对易风蚀区域增施有机肥可有效增加土壤碳的固存,减缓风蚀。

4 结论与展望

辽宁省是我国重要的粮食主产区之一,如何保护好土地,减少农田水土流失是保证粮食生产和生态环境健康的前提。根据辽宁省生态脆弱区的气候和土壤特征,通过采取种植模式调整、地膜覆盖、秸秆还田等措施,不仅提升了土地收益,而且对土壤的风蚀和水蚀起到了很好的防治作用。虽然针对防蚀已经有很多有效的技术措施,但是如何巩固防蚀效果,在防蚀的基础上提高农业效益,增加农民收入是下一步的研究方向。